Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 42)

Рис. 5.12. Три принятых способа изображения строения рибозы

Рис. 5.13. Два принятых способа изображения строения глюкозы

Циклические структуры пентоз и гексоз — обычные их формы; в любой данный момент лишь небольшая часть молекул существует в виде "открытой цепи". В состав дисахаридов и полисахаридов также входят циклические формы моносахаридов.

α- и β-изомеры

Биологическое значение циклических структур определяется тем, что при образовании такой структуры возникает еще один асимметрический атом углерода. На рис. 5.12 и 5.13 этот атом углерода отмечен звездочкой. Мы видим, что в обоих случаях к нему присоединена гидроксильная (-ОН) группа. Эта группа может располагаться либо под плоскостью цикла, как это показано на рис. 5.12 и 5.13, либо над ней. Первая форма представляет собой α-изомер, a вторая — β-изомер. Существование α- и β-изомеров обеспечивает большое химическое разнообразие и играет важную роль, например, в образовании крахмала и целлюлозы (разд. 5.2.3).

5.7. а) Изобразите рядом для сравнения α- и β-изомеры D-рибозы и D-глюкозы. б) С какого рода изомерией мы имеем здесь дело?

5.2.2. Дисахариды

На рис. 5.6 отмечены некоторые свойства дисахаридов. Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами, обычно гексозами (рис. 5.14).

Рис. 5.14. А Образование дисахарида и полисахарида. Показаны лишь те части молекул, которые в данном случае представляют для нас интерес. Полностью молекула глюкозы представлена на рис. 5.13. Б. Строение целлюлозы. У некоторых полисахаридов, например у целлюлозы, присоединяемые моносахаридные единицы при каждой очередной конденсации поворачиваются на 180°

Связь между двумя моносахаридами называют гликозидной связью. Обычно она образуется между 1-м и 4-м углеродными атомами соседних моносахаридных единиц (1,4-гликозидная связь). Этот процесс может повторяться бессчетное число раз, в результате чего и возникают гигантские молекулы полисахаридов (рис. 5.14). После того как моносахаридные единицы соединятся друг с другом, их называют остатками. Таким образом, мальтоза состоит из двух остатков глюкозы.

Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза:

Глюкоза + Глюкоза = Мальтоза,

Глюкоза + Галактоза = Лактоза,

Глюкоза + Фруктоза = Сахароза

Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания (например, в организме животных или при прорастании семян) под действием ферментов, называемых амилазами. Расщепление мальтозы до глюкозы происходит под действием фермента, называемого мальтозой. Лактоза, или молочный сахар, содержится только в молоке. Сахароза, или тростниковый сахар, наиболее распространена в растениях. Здесь она в больших количествах транспортируется по флоэме. Иногда она откладывается в качестве запасного питательного вещества, так как метаболически она довольно инертна. Промышленным способом сахарозу получают из сахарного тростника или из сахарной свеклы; именно она и есть тот самый "сахар", который мы обычно покупаем в магазине.

Редуцирующие сахара

Все моносахариды и некоторые дисахариды, в том числе мальтоза и лактоза, относятся к группе редуцирующих (восстанавливающих) Сахаров. Сахароза — нередуцирующий сахар. Восстановительная способность Сахаров зависит у альдоз от активности альдегидной группы, а у кетоз от активности как кетогруппы, так и первичных спиртовых групп. У нередуцирующих Сахаров эти группы не могут вступать в какие-либо реакции, потому что здесь они участвуют в образовании гликозидной связи. Две обычные реакции на редуцирующие сахара — реакция Бенедикта и реакция Фелинга (разд. 5.8) — основаны на способности этих Сахаров восстанавливать ион двухвалентной меди до одновалентной. В обеих реакциях используется щелочной раствор сульфата меди(ΙΙ) (CuSO₄), который восстанавливается до нерастворимого оксида меди(Ι) (Cu₂О).

5.2.3. Полисахариды

Рис. 5.6 дает представление о некоторых свойствах полисахаридов. Эти соединения играют главным образом роль резерва пищи и энергии (например, крахмал и гликоген), а также используются в качестве строительных материалов (например, целлюлоза). Полисахариды удобны в качестве запасных веществ по ряду причин: большие размеры молекул делают их практически нерастворимыми в воде и, следовательно, они не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния; их цепи могут компактно свертываться (см. об этом ниже); при необходимости они легко могут быть превращены в сахара путем гидролиза.

Полисахариды, как уже было сказано, — это полимеры моносахаридов. Полимеры пентоз называются пентозанами, а полимеры гексоз — гексозанами. Полимеры, построенные из остатков глюкозы, носят название глюкозанов.

Крахмал

Крахмал — полимер глюкозы. У растений крахмал служит главным запасом "горючего", но его не бывает у животных, у которых его функцию выполняет гликоген (см. ниже). Молекулы крахмала состоят из двух компонентов — амилозы и амилопектина. Линейные цепи амилозы, состоящие из нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму. У разветвленного полисахарида амилопектина компактность обеспечивается интенсивным ветвлением цепей за счет образования 1,6-гликозидных связей (рис. 5.15). Амилопектин содержит приблизительно вдвое больше глюкозных остатков, чем амилоза.

Рис. 5.15. Строение амилопектина. Показана одна точка ветвления

С раствором йода в йодистом калии (Ι₂/КΙ) водная суспензия амилозы дает темно-синюю окраску, а суспензия амилопектина — красно-фиолетовую. На этом основана проба на крахмал (разд. 5.8). Крахмал запасается в клетках в виде так называемых крахмальных зерен. Их можно видеть в первую очередь в хлоропластах листьев (рис. 9.6), а также в органах, где запасаются питательные вещества, например в клубнях картофеля или в семенах злаков и бобовых. Крахмальные зерна имеют слоистую структуру и у разных видов растений различаются как по форме, так и по размерам.

5.8. Из какого изомера глюкозы (см. вопрос 5.7), т. е. из α- или β-глюкозы, строятся молекулы крахмала?

Гликоген

Гликоген — это эквивалент крахмала, синтезируемый в животном организме, т. е. это тоже резервный полисахарид, построенный из остатков глюкозы; встречается гликоген и в клетках многих грибов. У позвоночных гликоген содержится главным образом в печени и в мышцах, иными словами, в местах высокой метаболической активности, где он служит источником глюкозы, используемой в процессе дыхания. По своему строению гликоген весьма схож с амилопектином, но цепи его ветвятся еще сильнее. В клетках гликоген отлагается в виде крошечных гранул, которые обычно бывают связаны с гладким эндоплазматическим ретикулумом (рис. 7.5). Метаболические превращения гликогена описаны в гл. 11.

Целлюлоза

Целлюлоза также представляет собой полимер глюкозы.

5.9. Строение целлюлозы изображено на рис. 5.14, Б. Из каких остатков глюкозы (α или β) построены ее молекулы? (Ответ на этот вопрос позволит понять, почему каждый следующий остаток в молекуле целлюлозы повернут относительно предыдущего на 180°.)

В целлюлозе заключено около 50% углерода, находящегося в растениях, и по общей своей массе целлюлоза на Земле занимает первое место среди всех органических соединений. Практически всю целлюлозу поставляют растения, хотя она встречается также у некоторых низших беспозвоночных и у одного класса грибов (у оомицетов). Целлюлозы так много на Земле потому, что у всех растений из нее построены клеточные стенки: в среднем 20-40% материала клеточной стенки составляет именно целлюлоза. Строение целлюлозных волокон делает их как нельзя лучше приспособленными для этой роли. Они представляют собой длинные цепи — приблизительно из 10000 остатков глюкозы (рис. 5.14, Б). Из каждой цепи выступает наружу множество — ОН-групп. Эти группы направлены во все стороны и образуют водородные связи с соседними цепями, что обеспечивает жесткое поперечное сшивание всех цепей. Цепи объединены друг с другом, образуя микрофибриллы, а последние в свою очередь собраны в пучки, т. е. в более крупные структуры, называемые микрофибриллами. Прочность на разрыв при таком строении чрезвычайно велика (некоторое представление об этом дает испытание на разрыв такого материала, как хлопок, состоящего почти полностью из целлюлозы). Макрофибриллы, располагаясь слоями, погружены в цементирующий матрикс, состоящий из других полисахаридов (см. его описание в разд. 7.3.1). При всей своей прочности эти слои легко пропускают воду и растворенные в ней вещества — свойство, весьма существенное для активно функционирующих растительных клеток. Помимо того что целлюлоза является одним из структурных компонентов растительных клеточных стенок, она служит также и пищей для некоторых животных, бактерий и грибов. Фермент целлюлаза, расщепляющий целлюлозу до глюкозы, сравнительно редко встречается в природе. Поэтому большинство животных, в том числе и человек, не могут использовать целлюлозу, хотя она представляет собой практически неисчерпаемый и потенциально очень ценный источник глюкозы. Однако у жвачных животных, например у коровы, в кишечнике обитают в качестве симбионтов бактерии, которые переваривают целлюлозу. Чрезвычайное обилие целлюлозы в природе и сравнительно медленный ее распад важны в экологическом плане, ибо они означают, что большое количество углерода остается "запертым" в этом веществе, а между тем углерод абсолютно необходим всем живым организмам. Промышленное значение целлюлозы огромно. Из нее изготовляют, в частности, хлопчатобумажные ткани и бумагу.